RU2165040C1

RU2165040C1 - Brake disk

Info

Publication number: RU2165040C1
Application number: RU2000101952/28A
Authority: RU
Inventors: О.О. Вейтцель
Original assignee: Петербургский государственный университет путей сообщения; Вейтцель Олег Олегович
Priority date: 2000-01-24
Filing date: 2000-01-24
Publication date: 2001-04-10

Abstract

FIELD: transport engineering. SUBSTANCE: invention is designed for use in brakes of high-speed railway vehicles, but it can be is used in aircraft and road vehicles. Brake disk is solid rotor with hub rigidly installed on axle and is provided with cross ventilation ribs at both sides located tangentially relative to external generatrix of its hub. Ribs form ventilation channels. Ribs are provided with radial support projections for fixing cover plates in form of sectors. These sectors form brake friction disks. EFFECT: improved efficiency of braking owing to enhanced cooling of brake mechanisms. 3 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к конструкции дисковых тормозов, в частности подвижного состава, которые предназначены как в качестве основного, так и дополнительного средства торможения для высокоскоростного наземного железнодорожного транспорта. The invention relates to mechanical engineering, and in particular to the design of disc brakes, in particular rolling stock, which are intended as both the main and additional means of braking for high-speed ground railway transport.

В связи с увеличением скорости подвижных составов выявлены существенные недостатки конструкций традиционных колодочных тормозов и назрела острая необходимость выбора новых, более эффективных конструктивных решений тормозных систем. In connection with the increase in the speed of rolling stocks, significant design flaws of traditional shoe brakes have been identified, and there is an urgent need to select new, more effective structural solutions to brake systems.

Одной из наиболее эффективных и рациональных для скоростного подвижного состава тормозных систем являются дисковые тормоза. One of the most effective and rational for high-speed rolling stock brake systems are disc brakes.

Дисковые тормоза работают по принципу фрикционного механического торможения и широко применяются в вагонах метрополитена, в самолетостроении, автомобилестроении и, конечно, на железнодорожном подвижном транспорте. Disc brakes operate on the principle of frictional mechanical braking and are widely used in subway cars, in aircraft construction, automotive industry and, of course, in railway rolling transport.

Одним из основных элементов конструкции дискового тормоза является тормозной диск. One of the main structural elements of a disc brake is a brake disc.

Известны тормозные диски, к примеру, для тормозов тележки КВЗ-ЦНИИ для вагонов межобластного сообщения (см. книгу: "Автоматические тормоза", авторы: И. И. Крылов и др., изд. "Транспорт", Москва, 1973 г., стр. 193), которые содержат следующие конструктивные элементы: стальную ступицу (сталь марки 15Л1 ГОСТ 977-58) жестко напрессованную (под давлением 100...120 т) на ось колесной пары, к которой крепится тормозной диск, состоящий из двух половин (секторов), соединяемых между собой болтами, а к ступице крепится радиально расположенными болтами с разрезными втулками и тарельчатыми пружинами. Known brake discs, for example, for the brakes of the KVZ-TsNII cart for inter-regional communication wagons (see book: "Automatic brakes", authors: I. I. Krylov et al., Ed. "Transport", Moscow, 1973, p. 193), which contain the following structural elements: a steel hub (steel grade 15L1 GOST 977-58) rigidly pressed (under a pressure of 100 ... 120 t) onto the axle of the wheelset, to which the brake disk consisting of two halves is attached ( sectors), interconnected by bolts, and attached to the hub by radially arranged bolts with split bushings and disc springs.

Тормозной диск представляет собой отливку из высокопрочного чугуна с двумя поверхностями трения на торцах, которые соединены поперечными радиальными вентиляционными ребрами для создания потока воздуха во время движения подвижного состава с целью охлаждения их. The brake disc is a casting of ductile iron with two friction surfaces at the ends, which are connected by transverse radial ventilation ribs to create an air flow during the movement of the rolling stock in order to cool them.

(На железных дорогах США диски изготавливаются из марганцовистой стали с содержанием 10. . .14% марганца, а в ФРГ - стальные диски с закаленными поверхностями трения). (On US railways, disks are made of manganese steel with a content of 10. ... 14% manganese, and in Germany - steel disks with hardened friction surfaces).

К недостаткам такого тормозного диска относятся
- большое количество используемых деталей, а особенно крепежных элементов: болтов, гаек, разрезных втулок и тарельчатых пружин;
- недостаточное охлаждение в виду ограниченного отбора тепла при торможении;
- недостаточная износостойкость;
Наиболее близким по своей технической сути к предлагаемому техническому решению является тормозной диск (см. книгу: "Дизель поезда (устройство, ремонт, эксплуатация)", авторов: Б.М. Лернера и др., изд. "Транспорт", Москва, 1982 г., стр. 234, рис. 127), который состоит из ротора с поперечными радиальными вентиляционными ребрами с двух сторон, двух тормозных фрикционных дисков, состоящих из двух чугунных секторов-накладок каждый и крепящих их элементов (к примеру, болтов с гайками).The disadvantages of such a brake disc include
- a large number of used parts, and especially fasteners: bolts, nuts, split bushings and cup springs;
- insufficient cooling due to limited heat extraction during braking;
- insufficient wear resistance;
The closest in its technical essence to the proposed technical solution is the brake disc (see book: "Diesel trains (device, repair, operation)", authors: B. M. Lerner et al., Ed. "Transport", Moscow, 1982 G., p. 234, Fig. 127), which consists of a rotor with transverse radial ventilation ribs on both sides, two brake friction discs, consisting of two cast-iron sectors-linings each and their fastening elements (for example, bolts with nuts) .

Ротор выполнен заодно со ступицей и к нему с двух сторон крепятся фрикционные диски. The rotor is made integral with the hub and friction discs are attached to it from two sides.

К недостаткам описанного тормозного диска следует отнести
а) плохое охлаждение тормозных дисков из-за глухих вентиляционных каналов между ребрами;
б) недостаточно развитую поверхность охлаждения вентиляционных ребер;
Задачей предлагаемого изобретения является создание тормозного диска, свободного от вышеперечисленных недостатков, обладающего повышенной эффективностью торможения.The disadvantages of the described brake disc should include
a) poor cooling of the brake discs due to deaf ventilation ducts between the ribs;
b) underdeveloped cooling surface of the ventilation fins;
The task of the invention is the creation of a brake disc, free from the above disadvantages, with increased braking performance.

Поставленная задача достигается тем, что тормозной диск содержит ротор с поперечными вентиляционными ребрами с двух сторон, тормозные фрикционные диски, состоящие из отдельных накладок в виде секторов каждый и крепящие их элементы, причем поперечные вентиляционные роторы расположены по касательной к наружной образующей его ступицы, и имеют с торцов радиальные опорные выступы для фиксации тормозных дисков, и создают вентиляционные воздушные каналы, соединенные кольцевыми воздухозаборниками. The problem is achieved in that the brake disk contains a rotor with transverse ventilation ribs on both sides, brake friction discs consisting of separate pads in the form of sectors each and their fastening elements, and the transverse ventilation rotors are tangent to the outer forming its hub, and have from the ends of the radial support ledges for fixing the brake discs, and create ventilation air channels connected by annular air intakes.

Тормозные фрикционные диски обеспечивают высокие фрикционные качества, мало зависят от применения скорости и надежно крепятся на радиальных опорных выступах торцов ротора с помощью крепящих элементов. Friction brake discs provide high frictional qualities, are little dependent on the application of speed and are reliably mounted on the radial support protrusions of the ends of the rotor with the help of fastening elements.

Новизна изобретения состоит в том, что на роторе тормозного диска поперечные охлаждающие вентиляционные ребра выполнены расположенными не радиально, как в общих случаях, а по касательной к наружной образующей ступицы ротора и имеют опорные радиальные выступы, т.е. имеют новое расположение и форму. The novelty of the invention lies in the fact that on the rotor of the brake disc, the transverse cooling ventilation fins are arranged not radially, as in general cases, but tangentially to the outer generatrix of the rotor hub and have radial bearing protrusions, i.e. have a new layout and shape.

Существенность отличий определяется тем, что благодаря новому расположению и форме поперечных охлаждающих вентиляционных ребер, появляются новые свойства, такие как увеличение (примерно на 40%) их контактирующих с охлаждающим воздухом поверхностей, повышение надежности крепления. The significance of the differences is determined by the fact that due to the new arrangement and shape of the transverse cooling ventilation fins, new properties appear, such as an increase (by about 40%) in their surfaces in contact with cooling air, and an increase in the reliability of fastening.

Указанные свойства позволяют более интенсивно охлаждать тормозной диск при работе и более эффективно производить торможение. These properties allow more intensive cooling of the brake disc during operation and more efficiently produce braking.

К технико-экономическим преимуществам по сравнению с прототипом относятся следующие:
е) значительно увеличивается поверхность охлаждения ротора;
ж) тормозные усилия являются постоянными и практически не зависят от скорости подвижного состава;
з) несложен по своей конструкции для изготовления и обслуживания;
и) значительно увеличивается продолжительность работы;
к) имеют место радиальные опорные выступы на роторе для фиксации накладок в виде секторов, образующих фрикционные диски;
л) повышается эффективность торможения, т.е. уменьшается нагрев диска, сокращается время и путь торможения;
м) может применяться для скоростных подвижных составов со скоростью 200 км/ч и выше;
н) повышается надежность работы тормозной системы;
о) содержит специальные кольцевые воздухозаборники с двух сторон.The technical and economic advantages compared with the prototype include the following:
e) significantly increases the cooling surface of the rotor;
g) the braking forces are constant and practically independent of the speed of the rolling stock;
h) uncomplicated in its design for manufacture and maintenance;
i) significantly increases the duration of the work;
j) there are radial bearing protrusions on the rotor for fixing the pads in the form of sectors forming friction discs;
k) the braking efficiency is increased, i.e. disk heating decreases, time and braking distance are reduced;
m) can be used for high-speed rolling stock with a speed of 200 km / h and above;
m) increases the reliability of the brake system;
o) contains special annular air intakes on both sides.

Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 показан предлагаемый тормозной диск на виде сбоку, справа, на оси подвижного состава;
на фиг. 2 показан предлагаемый тормозной диск в поперечном сечении по А-А, на оси подвижного состава;
на фиг. 3 показано выносное сечение по В-В (увеличено) крепящего элемента.The essence of the invention is illustrated by drawings, where
in FIG. 1 shows the proposed brake disc in a side view, on the right, on the axis of the rolling stock;
in FIG. 2 shows the proposed brake disc in cross section along AA, on the axis of the rolling stock;
in FIG. 3 shows a remote section along BB (enlarged) of the fastening element.

На чертеже буквами обозначены
Б - толщина тормозного диска;
в - толщина накладки тормозного фрикционного диска;
Г - ширина тормозящей поверхности накладки тормозного фрикционного диска;
D - наружный диаметр тормозного диска;
d - диаметр оси подвижного состава;
D₁ - наружный диаметр ступицы ротора;
E - потоки охлаждающего воздуха;
R - внутренний радиус накладки тормозного фрикционного диска;
α - центральный угол накладки тормозного фрикционного диска;
β - центральный угол между соседними наружными торцами поперечных вентиляционных ребер на образующей дискового тормоза.In the drawing, the letters indicate
B - brake disc thickness;
in - the thickness of the lining of the brake friction disc;
G is the width of the braking surface of the lining of the brake friction disc;
D is the outer diameter of the brake disc;
d is the diameter of the axis of the rolling stock;
D ₁ - the outer diameter of the hub of the rotor;
E - flows of cooling air;
R is the inner radius of the lining of the brake friction disc;
α is the central corner of the lining of the brake friction disc;
β is the central angle between adjacent outer ends of the transverse ventilation ribs on the generatrix of the disc brake.

Предлагаемый дисковый тормоз (см. фиг. 1; 2 и 3) состоит из стального монолитного ротора 1 со ступицей 2 (выполненной с ним заодно), и жестко установленной на оси 3 подвижного состава. Ротор 1 содержит с обеих сторон поперечные вентиляционные ребра 4, которые расположены (см. фиг. 1) по касательной к наружной образующей ступицы 2. Количество вентиляционных ребер 4 может быть практически любым, но обычно принято 18, т. е. наружные торцы ребер 4 на образующей ротора 1 (360^o) расположены через каждые 20^o его окружности (т.е. β = 20^o). Между ребер 4 образуются вентиляционные каналы 5, по которым во время движения подвижного состава будут проходить потоки воздуха E и охлаждать внутренние поверхности тормозного диска.The proposed disc brake (see Fig. 1; 2 and 3) consists of a steel monolithic rotor 1 with a hub 2 (made at the same time), and rigidly mounted on the axis 3 of the rolling stock. The rotor 1 contains on both sides transverse ventilation ribs 4, which are located (see Fig. 1) tangentially to the outer generatrix of the hub 2. The number of ventilation ribs 4 can be almost any, but 18 is usually adopted, i.e., the outer ends of the ribs 4 on the generatrix of the rotor 1 (360 ^o ) are located every 20 ^{o of} its circumference (i.e. β = 20 ^o ). Between the ribs 4, ventilation channels 5 are formed, through which during the movement of the rolling stock air flows E will pass and cool the internal surfaces of the brake disc.

С правой стороны ротора 1 (см. фиг. 1) поперечные вентиляционные ребра 4 расположены (наклонены) по часовой стрелке, а с обратной стороны ротора 1, для более равномерного отвода тепла и распределения усилий давления, они могут быть расположены противоположно. On the right side of the rotor 1 (see Fig. 1) the transverse ventilation fins 4 are located (tilted) clockwise, and on the reverse side of the rotor 1, for more uniform heat dissipation and distribution of pressure forces, they can be located opposite.

Поперечные вентиляционные ребра 4 имеют в своей нижней части, с каждой торцовой стороны, круговую расточку, образующую радиальные опорные выступы 6, на которые фиксируются накладки 7 в виде секторов (к примеру, шестидесятиградусных), образующие фрикционные диски (на фиг. 1 для наглядности устройства одна накладка 7 снята), которые закреплены на роторе 1 жестко крепящими элементами, к примеру, болтами 8 с гайками 9 через специальные отверстия 10 в накладках 7. Накладки 7 могут быть, к примеру, изготовлены из композиционного материала 6КВ-10 или другого с еще лучшими фрикционными свойствами. После установки накладок 7 и затяжки крепящих элементов (8; 9) выступающие из гайки 9 сбеги болтов 8 необходимо слегка расклепать во избежание самоотвинчивания. The transverse ventilation fins 4 have in their lower part, on each end side, a circular bore forming radial support projections 6 onto which lining 7 in the form of sectors (for example, sixty degrees) are fixed, forming friction discs (in Fig. 1 for clarity of the device one plate 7 is removed), which are fixed to the rotor 1 by rigidly fastening elements, for example, bolts 8 with nuts 9 through special holes 10 in the plates 7. The plates 7 can, for example, be made of 6KV-10 composite material or other on with even better frictional properties. After installing the linings 7 and tightening the fastening elements (8; 9), the bolt runs of the bolts 8 protruding from the nut 9 must be slightly riveted to prevent self-loosening.

Между наружным диаметром D₁ ступицы 2 и внутренней окружностью фрикционного диска по радиусу R образованы с каждой стороны боковые кольцевые воздухозаборники 11, непосредственно соединенные с вентиляционными каналами 5.Between the outer diameter D _{1 of the} hub 2 and the inner circumference of the friction disk along the radius R, lateral ring air intakes 11 are formed on each side, directly connected to the ventilation ducts 5.

Таким образом касательное расположение поперечных ребер 4 ротора 1 значительно увеличивает поверхность охлаждения тормозного диска (примерно на 40%) и создают более благоприятные условия для эффективного торможения. Thus, the tangential arrangement of the transverse ribs 4 of the rotor 1 significantly increases the cooling surface of the brake disc (by about 40%) and creates more favorable conditions for effective braking.

При работе (см. фиг. 1 и 2), т.е. во время торможения подвижного состава, при прижатии тормозных колодок (на чертежах не показаны) к торцовым поверхностям фрикционных накладок 7 в результате трения генерируется тепло. During operation (see Figs. 1 and 2), i.e. during braking of the rolling stock, when the brake pads are pressed (not shown in the drawings) to the end surfaces of the friction linings 7, heat is generated as a result of friction.

Это тепло поглощается ротором 1 с ребрами 4 и со ступицей 2 и фрикционными накладками 7, которые интенсивно охлаждаются изнутри, протекающим по каналам 5 воздухом, а развитая поверхность ротора 1 с ребрами 4 также интенсивно охлаждается со всех сторон. This heat is absorbed by the rotor 1 with ribs 4 and with the hub 2 and friction linings 7, which are intensively cooled from the inside by air flowing through the channels 5, and the developed surface of the rotor 1 with ribs 4 is also intensively cooled from all sides.

В результате этого тепло эффективно отводится протекающим по вентиляционным каналам 5 воздухом E и выноситься в окружающую среду, а через кольцевые щели воздухозаборников 11 постоянно поступает холодный воздух. As a result of this, heat is effectively removed by the air E flowing through the ventilation ducts 5 and carried out into the environment, and cold air is constantly supplied through the annular slots of the air intakes 11.

Снаружи тормозной диск дополнительно охлаждается встречным потоком набегающего воздуха окружающей среды. Outside, the brake disc is additionally cooled by an oncoming flow of incoming ambient air.

После остановки подвижного состава тормозной диск охлаждается до уровня температуры окружающей среды. After stopping the rolling stock, the brake disc is cooled to ambient temperature.

Наиболее рационально использовать предлагаемый тормозной диск по своему прямому назначению, т. е. для дисковых тормозов высокоскоростных подвижных составов и в других устройствах, где необходимо эффективное и надежное торможение. It is most rational to use the proposed brake disc for its intended purpose, i.e., for disc brakes of high-speed rolling stocks and in other devices where effective and reliable braking is required.

Claims

A brake disk containing a rotor with transverse ventilation ribs on both sides, brake friction disks consisting of separate linings in the form of sectors each and their fastening elements, characterized in that the transverse ventilation ribs of the rotor are tangent to the outer forming its hubs and have ends radial support projections for fixing the brake friction discs and for creating ventilation air channels connected to the side ring air intakes.